各种类型信道ppt课件.ppt

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1、4.1 无线信道4.2 有线信道4.3 信道的数学模型4.4 信道特性及其对信号传输的影响4.5 信道的噪声4.6 信道容量,通信系统的一般模型,一般来说,实际信道都不是理想的。首先，这些信道具有非理想的频率响应特性(无源干扰)，另外还有噪声和信号通过信道传输时掺杂进去的其他干扰(有源干扰) 。,信道是以传输媒质为基础的信号传输通道。,广义信道：包括传输媒质和变换装置（发送接收调制解调）,第一节 无线信道,一、基本问题无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制，一般为电磁波波长的1/101/4，故无线信道电磁波的频率较高。地球大气层的结构对流层：地面上 0 10 km平流层：约10 60 km电离层

2、：约60 400 km,第一节 无线信道,一、基本问题电离层对于传播的影响吸收(衰减)反射散射大气层对于传播的影响吸收散射,第一节 无线信道,二、电磁波的分类与传输原理：地波频率 2 MHz有绕射能力距离：数百或数千千米 天波频率：2 30 MHz特点：被电离层反射一次反射距离： 4000 km寂静区：电磁波不能到达的区域,第一节 无线信道,二、电磁波的分类与传输原理：视线传播：频率 30 MHz距离: 和天线高度有关(4.1-3) 式中，D 收发天线间距离(km)。例 若要求D = 50 km，则由式(4.1-3)增大视线传播距离的其他途径中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：,

3、m,第一节 无线信道,二、电磁波的分类与传输原理：散射传播电离层散射机理:由电离层不均匀性引起频率:30 60 MHz距离:1000 km以上对流层散射机理:由对流层不均匀性（湍流）引起频率:100 4000MHz最大距离 600 km,第一节 无线信道,二、电磁波的分类与传输原理：散射传播流星余迹散射流星余迹特点:高度80120km，长度1540km存留时间：小于1秒至几分钟频率:30100 MHz距离:1000 km以上特点:低速存储、高速突发、断续传输,第二节 有线信道,一、明线：明线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路。与电缆相比，它的优点是传输损耗低。但它易受气候和天气的影响，并且对外界

4、噪声干扰较敏感，已逐渐被电缆代替。,第二节 有线信道,二、对称电缆：对称电缆是在同一保护套内由许多对相互绝缘的绞扭双导线做成的传输介质。导线材料是铝或铜，直径为0.4到1.4mm。为了减少各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞状。由于这些结构上的特点，故电缆的传输损耗比明线大得多，但其传输特性比较稳定。,第二节 有线信道,三、同轴电缆：同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的空管（在可弯曲的同轴电缆中，它可以由金属丝编织而成），内导体是金属线（芯线）。它们之间填充着绝缘介质，可能是塑料，也可能是空气。在采用空气绝缘的情况下，内导体依靠有一定间距的绝缘子来定位。,第二节 有线信道,四

5、、光纤：结构纤芯包层按折射率分类阶跃型梯度型按模式分类多模光纤单模光纤,第二节 有线信道,四、光纤：损耗与波长关系损耗最小点：1.31与1.55 m,广义信道,调制信道：包含发转换装置、 媒质和收转换装置。,编码信道：编码信道包括调制器、调制信道和解调器。,调制信道,编码信道,第三节 信道的数学模型,一、调制信道模型,调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道，它所关心的是调制信道输入信号形式和已调信号通过调制信道后的最终结果，对于调制信道内部的变换过程并不关心。,（1） 有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；,（3） 信号通过信道具有一定的延迟时间，而且还会受到（固定的或时变

6、的）损耗； ,（2） 绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；,（4） 即使没有信号输入，在信道的输出端仍一定的输出功率（噪声）。 ,第三节 信道的数学模型,特征：,可用二对端（或多对端）的时变线性网络去代替调制信道。,一、调制信道模型,第三节 信道的数学模型,一、调制信道模型,第三节 信道的数学模型,加性噪声n(t)通常是一种高斯噪声，该信道模型通常也称为加性高斯噪声信道。 ,一、调制信道模型,第三节 信道的数学模型,如果了解 的特性，信道对信号的影响就能搞清楚。,一、调制信道模型,第三节 信道的数学模型,二、编码信道模型,第三节 信道的数学模型,编码信道包括调制信道、调制器和解调器，

7、它与调制信道模型有明显的不同，是一种数字信道或离散信道。编码信道输入是离散的时间信号，输出也是离散的时间信号，对信号的影响则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。,P(0)和P(1)分别是发送“0”符号和“1”符号的先验概率，P(0/0)与P(1/1)是正确转移概率，P(1/0)与P(0/1)是错误转移概率。信道噪声越大将导致输出数字序列发生错误越多，错误转移概率P(1/0)与P(0/1)也就越大；反之，错误转移概率P(1/0)与P(0/1)就越小。根据概率性质可知：P（0/0

8、）=1- P（1/0） P（1/1）=1- P（0/1）,二、编码信道模型,第三节 信道的数学模型,二进制编码信道模型,多进制无记忆编码信道模型。,如果编码信道是有记忆的，则编码信道模型要比上两图复杂的多,二、编码信道模型,第三节 信道的数学模型,恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的。因此，其传输特性可以等效为一个线性时不变网络。只要知道网络的传输特性，就可以采用信号与系统的分析方法，分析信号通过信道后的变化规律。 线性网络的传输特性可以用幅度频率特性和相位频率特性来表征。 现在我们首先讨论理想情况下的恒参信道特性。,第四节 信道特性及对信号传输的影响,一、恒参信道对信号传输的

9、影响,理想情况下恒参信道特性：,第四节 信道特性及对信号传输的影响,一、恒参信道对信号传输的影响,1.幅度频率畸变:由于实际信道的幅度频率特性不理想，信号通过信道后会产生幅度-频率失真，又称为频率失真（属于线性失真）。,衰减特性在 3003000 Hz频率范围内比较平坦；300 Hz以下和 3000Hz以上衰耗增加很快，这种衰减特性正好适应人类话音信号传输。,典型音频电话信道的幅度衰减特性,第四节 信道特性及对信号传输的影响,一、恒参信道对信号传输的影响,信道的幅度-频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真，若在这种信道中传输数字信号，则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成码间

10、干扰。,减小幅度-频率失真的方法：改善电话信道的滤波性能，或者通过一个线性补偿网络（均衡技术），使衰耗特性曲线变得平坦。比如：在电话信道中传输数字信号时，通常采取均衡措施。,第四节 信道特性及对信号传输的影响,1.幅度频率畸变:,一、恒参信道对信号传输的影响,2.相位-频率畸变: 当信道的相位-频率特性偏离线性关系时，将会使通过信道的信号产生相位-频率失真，它也属于线性失真。 通常还用群延迟-频率特性来衡量：,t()=d()/d,第四节 信道特性及对信号传输的影响,一、恒参信道对信号传输的影响,实际信道总是不理想的，它对信号中不同的频率分量有不同的群延迟。下图给出了一个典型的电话信道的群迟延频

11、率特性。,群迟延频率特性,第四节 信道特性及对信号传输的影响,2.相位-频率畸变:,一、恒参信道对信号传输的影响,基波相移、三次谐波相移2的后产生的失真,vi(t)=sint+1/ 2sin3t vo(t)=sin (t-T/2) +1/2sin3(t-T/3),第四节 信道特性及对信号传输的影响,2.相位-频率畸变:,一、恒参信道对信号传输的影响,随参信道中传输媒质的特性对信号传输的影响是最主要的。通过对短波电离层反射信道和对流层散射信道这两种典型随参信道的分析知，随参信道的传输媒质具有以下三特点 (1) 对信号的衰耗随时间随机变化； (2) 信号传输的时延随时间随机变化； (3) 多径传播

12、。 由于随参信道比恒参信道复杂得多，它对信号传输的影响也比恒参信道严重得多。,第四节 信道特性及对信号传输的影响,二、随参信道对信号传输的影响,设发射波为Acos0t, 则经过n条路径传播后的接收信号为,式中 i(t) 第i条路径的接收信号振幅； i(t) 第i条路径的传输时延，它随时间不同而变化； i(t)=-0i(t),1、多径传播后的接收信号,第四节 信道特性及对信号传输的影响,二、随参信道对信号传输的影响,随参信道对信号传输的影响：第一，从波形上（时域）看，多径传播的结果使确定的载波信号Acos0t变成了包络和相位受到调制的窄带信号，这样的信号通常称之为衰落信号；第二，从频谱上（频域）

13、看，多径传输引起了频率弥散，即由单个频率变成了一个窄带频谱。,1、多径传播后的接收信号,第四节 信道特性及对信号传输的影响,二、随参信道对信号传输的影响,(1)推导,任一时刻t1上， 是n个随机变量之和，每个随机变量是独立的，n无穷大时，按照中心极限定理， 是高斯随机变量。从而, 是高斯过程,所以,R(t)是窄带高斯过程。其振幅服从一维瑞利分布，相位服从均匀分布。,2、多径接收信号振幅与相位的统计特性,第四节 信道特性及对信号传输的影响,二、随参信道对信号传输的影响,（1）瑞利型衰落：信号的包络服从瑞利分布律的衰落。（2）频率选择性衰落：信号频谱中某些频率分量的衰落。,2、多径接收信号振幅与相

14、位的统计特性(2)衰落,第四节 信道特性及对信号传输的影响,二、随参信道对信号传输的影响,设f(t)的频谱密度函数为F()，即有 f(t)F()则 V0f(t-t0)V0F()e-jt0 V0f(t-t0-)V0F()e-j(t0+ ) V0f(t-t0)+V0f(t-t0-) V0F()e-jt0 (1+e-j )于是，两径传输模型的传输特性为 H()= V0e-jt0 (1+e-j ),2、多径接收信号振幅与相位的统计特性(2)衰落,第四节 信道特性及对信号传输的影响,二、随参信道对信号传输的影响,(1+e-j )网络的模特性（幅度-频率特性）,(1+e-j ) = 1+cos -jsin

15、 =2cos2( /2)-j2sin ( /2)cos( /2)=2cos( /2),2、多径接收信号振幅与相位的统计特性(2)衰落,第四节 信道特性及对信号传输的影响,二、随参信道对信号传输的影响,结论：由此可见，对不同的频率，两径传播的结果将有不同的衰减，这就是所谓的频率选择性衰落。显然，当一个传输波形的频谱宽于1/(t)时(t)表示有时变的相对时延，传输波形的频谱将受到畸变。,设多径传播的最大时延差为m，定义 f=1/m频率间隔为多径传播介质的相关带宽。,2、多径接收信号振幅与相位的统计特性(2)衰落,第四节 信道特性及对信号传输的影响,二、随参信道对信号传输的影响,为了不引起明显的选择

16、性衰落，传输信号的频带必须小于多径传输介质的相关带宽f 。 多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之减轻。,2、多径接收信号振幅与相位的统计特性(2)衰落,第四节 信道特性及对信号传输的影响,二、随参信道对信号传输的影响,第五节 信道的噪声,前面主要对乘性干扰对调制信道的影响作了讨论，除乘性干扰外，还有加性干扰，下面讨论信道中的加性干扰（噪声）。,一、噪声的分类：,热噪声是由于导体中自由电子无规则的热运动而引起的。在任何时刻通过导体每个截面的电子数目的代数和是不等于零的，即由自由电子的

17、随机热骚动带来一个大小和方向都不确定（随机）的电流起伏电流（噪声电流），它们流过导体就产生一个与其电阻成正比的随时间而变化的电压起伏电压（噪声电压）。,二、热噪声：,1、概念,第五节 信道的噪声,2、热噪声的功率谱密度,分析和实验结果表明，在从直流到微波（1013Hz）的频率范围内，电阻或导体的热噪声具有均匀的功率谱密度为： Pi（）=2KTG 或：PV（）= R2Pi（）=2KTR 式中，K为波尔兹曼常数（K=1.380510-23J/K)，T为绝对温度(K)，G为电阻R()的电导值。,二、热噪声：,因为满足中心极限定理，所以热噪声是高斯分布噪声。,第五节 信道的噪声,3、热噪声电流及电压的

18、有效值,噪声电流源功率及噪声电压源功率为： PIN=2Pi()B=4KTGBPVN=2Pv()B=4KTRB热噪声电流源及电压源的均方根值（有效值）为： IN=4KTGB VN=4KTRB,二、热噪声：,第五节 信道的噪声,高斯白噪声通过调制信道时，要经过接收转换器这样一个带通滤波器。因此在解调器输入端得到的是一个窄带高斯噪声。窄带高斯噪声的特性在第三章已经讨论过。,三、带通噪声及其等效带宽：,第五节 信道的噪声,噪声的等效带宽：,三、带通噪声及其等效带宽：,第五节 信道的噪声,信道容量指信道的极限传输能力,即信道传输信息的最大平均信息速率称为信道容量，记之为C或Ct。,第六节 信道容量,两种

19、不同的度量单位：C:每个符号能够传输的平均信息量最大值Ct:单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值两者之间可以互换,第六节 信道容量,从信息论观点，各种信道分二大类,下面，分别介绍这两种信道的信道容量。,有噪声离散信道的信道模型,一、离散信道的信道容量,第六节 信道容量,在有噪声的信道中，发送符号为xi而收到符号为yj时所获得的信息量,它等于未发送符号前对xi的不确定程度减去收到符号yj后对xi的不确定程度。即发送xi收到yj时所获得的信息量 =- 2P（xi) +2P（xi/yj)式中，P（xi) 未发送符号前xi出现的概率； P（xi/yj)收到yj而发送为xi的条件概率。,一、离散信

20、道的信道容量,第六节 信道容量,平均信息量,对各xi和yj取统计平均，即对所有发送为xi而收到为yj取平均，则平均信息量/符号,一、离散信道的信道容量,式中，H(x)表示发送的每个符号的平均信息量； H(x/y)表示发送符号在有噪声的信道中传输平均丢失的信息量，或当输出符号已知时输入符号的平均信息量。,第六节 信道容量,无噪声离散信道的信道模型,一、离散信道的信道容量,第六节 信道容量,一、离散信道的信道容量,第六节 信道容量,容量C的定义：每个符号能够传输的平均信息量最大值 (比特/符号) 当信道中的噪声极大时，H(x / y) = H(x)。这时C = 0，即信道容量为零。容量Ct的定义：

21、 (b/s) 式中 r 单位时间内信道传输的符号数,【例4.6.1】设信源由两种符号“0”和“1”组成，符号传输速率为1000符号/秒，且这两种符号的出现概率相等，均等于1/2。信道为对称信道，其传输的符号错误概率为1/128。试画出此信道模型，并求此信道的容量C和Ct。,一、离散信道的信道容量,第六节 信道容量,【解】此信道模型画出如下：,一、离散信道的信道容量,第六节 信道容量,此信源的平均信息量（熵）等于： （比特/符号）而条件信息量可以写为现P(x1/y1)=P(x2/y2)=127/128，P(x1/y2)=P(x2/y1)=1/128，并且考虑到P(y1) +P(y2) = 1，所

22、以上式可以改写为,一、离散信道的信道容量,第六节 信道容量,平均信息量/符号H(x)H(x/y)=10.045=0.955 b/符）因传输错误每个符号损失的信息量为H(x / y) = 0.045（比特/ 符号）信道的容量C等于：信道容量Ct等于：,假设信道带宽为B（Hz），信号功率为S（W），而信道中的干扰信号为加性高斯白噪声，噪声功率为N（W）。则可以证明该信道的信道容量为,C=B2（1+S/N） （bit/s）,上式是信息论中信道容量的理论公式著名的香农公式。,二、连续信道的信道容量,第六节 信道容量,由香农公式可推出如下结论：,提高信噪比S/N能增加信道容量。在极限情况下，当S/N趋于

23、时，C趋于。,增加信道带宽（也即信号带宽）B能增加信道容量，但并不能无限制地使信道容量增大，C和B之间并不是简单的正比关系。,信噪比再小，即使S/N1，信道容量也不会为0。,当信道容量一定时，带宽B与信噪比S/N之间可以彼此互换。,二、连续信道的信道容量,第六节 信道容量,香农公式的另一形式,由于噪声功率N与信道带宽B有关，故若噪声单边功率谱密度为n0，则噪声功率N将等于n0B。由此可得,B趋于时的信道容量,lim C = B2(1+S/(Bn0) = S/n0 lim(Bn0/S 2(1+S/(Bn0)利用关系式 lim(1/x 2(1+x)= 2e 1.44可得 lim C = S/n0

24、2e1.44S/n0,二、连续信道的信道容量,第六节 信道容量,【例】已知黑白电视图像信号每帧有30万个像素；每个像素有8个亮度电平；各电平独立地以等概率出现；图像每秒发送25帧。若要求接收图像信噪比达到30dB，试求所需传输带宽。,二、连续信道的信道容量,第六节 信道容量,【解】每个像素的信息量为 Ip = -log2(1/ 8) = 3 (b/pix)每帧图像的信息量为 IF = 300,000 3 = 900,000 (b/F)因为每秒传输25帧图像，所以要求传输速率为 Rb=900,00025=22,500,000 = 22.5 106(b/s),二、连续信道的信道容量,第六节 信道容量,信道的容量Ct必须不小于此Rb值。将上述数值代入式：得到22.5 106 = B log2 (1 + 1000) 9.97B最后得出所需带宽B = (22.5 106) / 9.97 2.26 (MHz),